Робототехніка

Зміст

1. Що таке робототехніка?
2. З яких частин складається робот?
3. Як створити власного робота?
4. Конструктори з робототехніки
5. Робототехніка для дітей

Що таке робототехніка?

Робототехніка - це проєктування, програмування, конструювання та використання роботів: автоматизованих технічних об'єктів і систем, які виконують наперед задані дії. Походить від слів робот і техніка. В якості хобі це заняття відрізняється від професійного лише рівнем складності (початківці-любителі використовують прості конструкції, часто з готовими компонентами) та сферою застосування виготовлених роботів (дім, ігри, розваги, змагання, навчання).

Робототехніка - це цікаво і для дорослих, і для дітей. В рамках цього хобі кожен може знайти собі заняття до душі, адже це дуже широке поле для діяльності. Почавши зі збірки готових наборів на рівні 3d пазлів з електронною начинкою, потім можна перейти до невеликих проєктів з робототехніки, а далі до створення по-справжньому дивовижних роботів, а то й проводити власні дослідження. З робототехніки проводять змагання, фестивалі, турніри з вирішення та виконання поставлених задач. Робототехніки-любителі з практичною жилкою можуть створювати корисних роботів для своїх потреб: автоматизовані пристрої для розумного дому, літаючі дрони для зйомки відео, іграшки для власних дітей тощо.

З яких частин складається робот?

Хоча видів роботів є неймовірна кількість, та всі вони мають однакові компоненти, коли говоримо про те, як вони працюють. Функціональна схема робота складається з таких компонентів:

• Механізм - це конструкція, рама, форма, призначені для досягнення визначеного завдання, свого роду виконавча частина робота. Форма слідує за функцією, тож для поставлених перед роботом задач його треба забезпечити відповідним механізмом руху всього об'єкту та/або його окремих частин. Платформа для робота - це основа, на якій розташовуються всі інші компоненти робота, вона може бути стаціонарною або мобільною за допомогою гусениць, колес, ніг, пропелерів тощо. Також виділяють ефектори, або маніпулятори, - частини механізму, які будуть виконувати потрібні операції з об'єктами навколо або всередині себе. Наприклад, це можуть бути захвати або присоски для переміщення предметів. Саме кінцеві ефектори відображають призначення робота. Приводи механізмів - це посередники між керівною системою та механізмом, які отримують енергію для початку чи продовження руху, найчастіше це електричні дроти.
• Керівна система визначає поведінку робота, складається з програми та сенсорів. Сенсори - це різноманітні датчики, відеокамери, мікрофони, ехолокатори, хімічні аналізатори, кнопки та інші, які виконують зондування, тобто збирають інформацію про зовнішнє середовище (форму, розмір та колір об'єктів, відстань до них, взаємне розташування, температуру, освітлення, звуки, магнітне поле, моменти зіткнення з перешкодами, прискорення, кути повороту, склад речовин, натискання людиною чи твариною кнопок тощо). Ці дані далі використовуються в програмі для визначення подальшої поведінки робота. Найпростіші керівні системи мають просту пару сенсор-маніпулятор, де отримання сигналу зразу приводить в дію відповідний ефектор. Складніші включають програму, яка визначає поведінку робота в залежності від різних умов, перерозподіляючи електричні сили на потрібні двигуни. Власне, саме наявність програми та відповідно програмованої поведінки й відрізняє робота від звичайного електронного пристрою, це їх основна сутність. Фізично програма реалізується за допомогою мікроконтролера або процесора та периферійних пристроїв.
• Джерело живлення дає енергію для функціонування робота - як для руху механізму, так і для зондування. Це можуть бути батарейки чи акумулятори, сонячні батареї або просто підключення до електромережі. Енергія потрібна для двигунів: отримуючи електричну енергію та керуючись програмою, двигуни приводять в дію відповідні приводи механізмів. Незалежно від типу двигуна (електричний чи бензиновий) для керування двигунами в роботах все одно використовується електричний струм.
• Системи безпеки важливі для роботів, які можуть виконувати потенційно небезпечні або небажані дії. Для маленької рухомої іграшки-робота це не обов'язково, та важливо передбачити аварійну зупинку механізму, якщо якісь дії можуть травмувати людину, зруйнувати щось зайве, пошкодитися самому роботу чи іншим небажаним чином вийти за рамки визначеної програми.

Різноманітні програмовані електронні модулі, механізми, мотори та датчики, що використовуються у робототехніці, зараз є в широкому доступі, і їх не потрібно виготовляти самостійно. Найбільш цікава частина робототехніки як хобі - це конструювання унікального робота як складання його з готових компонент, та програмування потрібної поведінки, і зараз є купа можливостей зосередитися саме на цьому.

Як створити власного робота?

Є багато різних способів створення роботів, і вибір підходящого залежить від кінцевої мети (наприклад, практична користь чи навчання), від призначення майбутнього робота, рівня знань та доступності компонентів, матеріалів та інструментів. У загальному випадку для створення власного робота вам знадобляться:

• Знання: механіка, електроніка, електротехніка, схемотехніка, алгоритміка, проєктування, автоматичне управління, програмування. Для простих конструкцій достатньо шкільних знань математики, фізики та інформатики, але складніші роботи вимагатимуть більшого.
• Фізичні компоненти - всі матеріальні складові майбутнього робота: платформа, маніпулятори, приводи, сенсори, двигуни, джерело живлення, залежно від типу та призначення конструкції. На електронних компонентах краще не економити та завжди вибирати надійність: це набагато краще, ніж потім довго витрачати час на визначення причини проблеми, якщо робот не буде діяти так, як ви хочете.
• Інструменти залежать від фізичних компонент. Можливо, вам знадобиться паяльник або ж лише викрутки. Розглядайте фізичну складову робота без програми як більш звичні електронні саморобки.
• Програмне забезпечення, за допомогою якого ви зможете створити алгоритми дій робота. У якості стартової платформи для вивчення найкраще підходить Arduino - це спрощений міні-комп'ютер, який дозволяє реалізувати програми для управління електронними пристроями та механізмами роботів. Мови, які використовуються в Arduino: C++ та Scratch.
• Схеми та онлайн-моделювання часто можуть стати в нагоді при проєктуванні складних роботів. 3d моделі та симуляція дій робота допоможе виявити та виправити помилки ще на етапі проєктування, зекономивши сили та матеріали при конструюванні фізичної моделі.

Починати варто з простішого - збірки з готових наборів, і по мірі засвоєння переходити до більш складного, в тому числі самостійного проєктування та конструювання унікальних роботів. Достатньо, щоб перші роботи вміли просто рухатися за визначеною програмою. Наприклад, повертатися, об'їжджати перешкоди, чи виконувати прості танцювальні рухи.

Конструктори з робототехніки

Для початківців найкращий варіант - це купити готовий набір для робототехніки або конструктор-робот для першої збірки та вивчення основ. За механічною основою це, як правило, електроконструктор, але може бути й гідравлічний конструктор. Деякі з таких конструкторів можуть бути призначені для збірки одного або декількох конкретних моделей роботів, а інші - бути наборами для самостійного створення різноманітних роботів з одних і тих же деталей. Більшість таких комплектів робототехніки та конструкторів для роботів базуються на платформі Arduino, що дозволяє легко освоїти програмування.

Конструктор дозволяє зібрати такі моделі на батарейках або сонячних батареях як, наприклад, робот-трансформер, машина-всюдихід, "живий" динозавр, маніпулятор-рука робота тощо. Конструктори-роботи мають в комплекті детальну покрокову інструкцію, яка допомагає початківцям зібрати працездатну модель.

Робототехніка для дітей

Майже кожній дитині цікаво, як можна навчити робота рухатися, реагувати на світло, хапати та переводити предмети, танцювати, говорити чи виконувати твої власні команди. Якщо дорослі частіше схильні до вирішення практичних задач, то для дітей робот - це в першу чергу крута іграшка, з якою можна бавитися, взаємодіяти, влаштовувати робо-перегони чи робо-боротьбу, створювати фантастичних домашніх роботів-улюбленців.

Але недарма конструктори-роботи відносять до STEM-наборів - адже захоплення робототехнікою приносить дітям не тільки радість та розвагу, але й користь:

• легке засвоєння на практиці основ електроніки, електротехніки, програмування, робототехніки, інженерних дисциплін;
• мотивація до вивчення шкільної фізики, математики, інформатики, адже тепер буде зрозуміло, для чого потрібні ці науки;
• навички самостійного проєктування та конструювання технічних систем;
• всебічний розвиток та пізнання нового в процесі гри;
• розвиток логічного та просторового мислення, пам'яті, уваги, самоконтролю, дрібної моторики;
• за умови занять в групі або ігор з друзями - соціалізація та розвиток комунікативних навичок та вмінню працювати в команді.

Дітям варто починати займатися робототехнікою після 3-х років, коли ще тільки починає формуватися логічне мислення. Звісно, для дошкільнят це будуть швидше конструктори роботів-іграшок, для складання яких ще не потрібно розбиратися в фізиці та програмуванні.

Починаючи з 8-9 років, діти вже можуть поступово вивчати різні електронні компоненти за їх зовнішнім виглядом та призначенням: діод, транзистор, резистор, конденсатор тощо. І приблизно з 12 років вже підібратися до самої робототехніки з використанням алгоритмів та програмування. Захоплення робототехнікою з 14-15 років вже несе характер серйозного інтересу з можливістю надалі професійного розвитку в цьому напрямку. За умови попередньої підготовки у більш ранньому віці, підлітки вже здатні самостійно ініціювати та вести власні проєкти робототехніки та конструювати відносно складні комплексні роботизовані системи.

Хоча варто вказати, що робототехніка - це чудове хобі, яке не має жодних обмежень за віком "зверху". Починати займатися створенням роботів можна і дітям, і дорослим в будь-який момент, аби було бажання.